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2022年存储芯片行业深度报告.pdf
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全球存储芯片市场于波动中保持上升趋势,市场规模从 2005 年的 546 亿美元增至 2020 年的 1229 亿美元,复合增速达 5.6%,IC Insights 预计 2021 年全球存储芯片市场规模将同比增长 22%,2023 年将超过 2000 亿美元。
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【导语】
全球存储芯片市场于波动中保持上升趋势,市场规模从 2005
年的 546 亿美元增至 2020 年的 1229 亿美元,复合增速达
5.6%,IC Insights 预计 2021 年全球存储芯片市场规模将同
比增长 22%,2023 年将超过 2000 亿美元。
一、存储芯片:现代信息存储媒介
1.1 半导体存储:主流存储媒介,DRAM 和 NAND 为其核心构
成
早期信息存储以纸张、磁性媒介为主。早期的信息存储主要依靠纸
张,1725 年法国人发明了打孔卡和打孔纸带,这是最早的机械化
信息存储形式。1928 年磁带问世,磁性存储时代开始,随后在
1932 年,硬盘驱动器前身即磁鼓内存问世,存储容量约 62.5 千
字节。1936 年,世界上第一台电子数字计算机诞生,使用真空二
极管处理二进制数据,使用再生电容磁鼓存储器存储数据,但体积
庞大。1946 年,第一个随机存取数字存储器诞生,存储容量
4000 字节,因体积过大后来被 1956 年 IBM 发明的硬盘驱动器
(HDD) 替代。随后,1965 年只读式光盘存储器(光盘,CD-
ROM)普及。
半导体存储技术发展已有半个世纪。1966 年动态随机存取存储器
(DRAM)问世,存储器进入半导 体时代,最早单颗裸片(Die)
容量为 1kb,如今已达 16Gb 及以上。直到 1980 年,东芝发明
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了闪存 (Flash),此后 90 年代,先后出现了 USB、SD 卡等多
种 Flash 应用。2008 年,3D NAND 技术萌芽,到 2014 年正
式商用量产。由此看,半导体存储器发展已有 55 年,其中
DRAM 发展已有 55 年,Flash 发展 已有 40 年,由于 2D
NAND 和 3D NAND 技术差别巨大,实际上 3D NAND 发展历
史仅仅十余年,技术成 熟度远不如 DRAM。
半导体存储器又称存储芯片,是以半导体电路作为存储媒介的存储
器,用于保存二进制数据的记忆设备,是现代数字系统的重要组成
部分。半导体存储器具有体积小、存储速度快等特点,广泛应用服
务器、PC、智能手机、汽车、物联网、移动存储等领域。根据存储
原理的不同,半导体存储器可分为随机存储器(RAM)和只读存储
器(ROM):
(1)随机存储器(RAM)。与 CPU 直接交换数据的内部存储
器。可随时读写且速度快,断电后存储数据丢失,是易失性存储
器。RAM 又可进一步细分为动态随机存取存储器(DRAM)和静
态随机存取存储器(SRAM)。DRAM 用作内存,需求量远高于
SRAM。SRAM 速度很快但成本高,一般用于作 CPU 的高速缓
存。
(2)只读存储器(ROM)。只能读取事先存储的信息的存储器。
断电后所存数据不会丢失,根据可 编程、可抹除功能,ROM 可分
为 PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM 和 Flash 等。Flash
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是当前主流 的存储器,具备电子可擦除可编程的性能,能够快速读
取数据而且断电时不会丢失数据,往往与 DRAM 搭配使用。Flash
可进一步细分为 NAND Flash 和 NOR Flash:NAND Flash 写入
和擦除的速度快,存储密度 高,容量大,但不能直接运行 NAND
Flash 上的代码,适用于高容量数据的存储。NOR Flash 的优势是
芯片内 执行——无需系统 RAM 就可直接运行 NOR Flash 里面
的代码,容量较小,一般为 1Mb-2Gb。
DRAM 和 NAND Flash 为最重要的两类存储芯片。按照市场规模
计算,DRAM 约占存储器市场 53%, NAND Flash 约占 45%,
二者份额合计达 98%,为存储器市场主要构成产品。
1.2 发展趋势:DRAM 聚焦制程迭代,NAND 聚焦 3D 堆叠
1.2.1 DRAM:向高性能和低功耗发展,3D 堆叠、先进工艺、
EUV 等是未来趋势
DRAM 的工作原理是利用电容内存储电荷的多寡来代表一个二进制
比特(bit),具备运算速度快、掉 电后数据丢失的特点,常应用
于系统硬件的运行内存,主要应用于服务器、PC 和手机等。在结
构升级方 面,DRAM 分为同步和异步两种,两者区别在于读/写时
钟与 CPU 时钟不同。传统的 DRAM 为异步 DRAM,已经被淘
汰,SDRAM(Synchronous DRAM,同步动态随机存储器)为
DRAM 的一种升级,读/ 写时钟与 CPU 时钟严格同步,主要包括
DDR、LPDDR、GDDR、HBM 等:
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(1)DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM,双信道同步动
态随机存取内存)可以在一个时钟读 写两次数据,使得传输数据加
倍,目前已发展到第五代,每一代升级都伴随传输速度的提升以及
工作电 压的下降。根据 Yole 预测,随着 DDR5 的上市,市场将
快速进行产品升级换代,预计 2025 年 DDR5 的份 额将接近
80%。
(2)LPDDR(Low Power DDR,低功耗双信道同步动态随机存取
内存)通过与处理器紧邻(焊接 在主机板上而非插入或以封装层叠
技术直接堆在处理器上方)、减少通道宽度以及其他一些牺牲部分
反应 时间的方法来降低体积和功耗。LPDDR 内存多用于智能手
机、笔记本、新能源车上,而 DDR 多用于服 务器、台式机、普
通笔记本上。
(3)GDDR(Graphics DDR,绘图用双信道同步动态随机存取内
存)为专门适配高端绘图显卡而特 别设计的高性能 DDR 储存
器。GDDR 与一般 DDR 不能共用,时钟频率更高,发热量更小,
一般用于电 竞终端和工作站。
高性能和低功耗是性能升级的两大主要趋势。一般来说,绘图用
DRAM 数据传输速度高于计算机用 DRAM,计算机用 DRAM 高
于手机用 DRAM。近年来,各类 DRAM 更新迭代快速,高性能
和低功耗是 两大主要趋势,目前 DDR、LPDDR、GDDR 已发展
至第 5~6 代,较前一代传输速率大幅提升,功耗大幅 度降低。手
机 DRAM 方面,目前业内已量产 LDDR5;计算机用 DRAM 方
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面,目前已演进至 DDR5;绘 图用 DRAM 方面,最新一代的
GDDR6 已商用数年。
从 2D 架构转向 3D 架构演变可能是未来 DRAM 的技术趋势之
一。2D DRAM 内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧,3D
DRAM 则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方,因此裸晶
尺寸会变得比较小,每片晶圆的裸晶产出量会更多,意味着 3D
DRAM 在成本上具备优势。
DRAM 从 2D 架构转向 3D 架构演变的典型产品为 HBM。HBM
(High Bandwidth Memory,高带宽 储存器)是 AMD 和 SK
海力士推出的一种基于 3D 堆栈工艺的高性能 DRAM,适用于高
储存器带宽需求的应用场合,如图形处理器、网络交换及转发设备
(交换机、路由器)等。HBM 与 GDDR 都与 GPU 紧密整合,
但 HBM 的位置不在 GPU 旁,而是在连接 GPU 与逻辑电路的中
介层上。这些 DRAM 芯片具有大量的硅通孔(TSV),连接
HBM 内的各个芯片,以及其底部的逻辑芯片。因此,DRAM 颗粒
可以相互 堆叠,使得芯片在垂直面上能实现小面积和高容量。
DRAM 工艺制程演进至 10+nm,将继续向 10nm 逼近。DRAM
的制程接近 10nm,各厂家都处于 10nm+阶段。业界命名
DRAM 前三代 10nm+制程分别为 1X(16-19nm)、1Y(14-
16nm)、1Z(12-14nm)。行业龙头三星电子、SK 海力士和美
光在 2016~2017 年期间进入 1X nm 阶段,2018~2019 年进入
1Y nm 阶 段,2020 年后进入 1Z nm 阶段。最新的 1αnm 仍处
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